以往木质材料阻燃性能评价多借用塑料、纺织物和涂料等材料评价方法，如氧指数法、水平燃烧法、垂直燃烧法、点着温度以及隧道燃烧法等，而且各国之间评价标准存在很大差异，这与经济全球化的状况不相适应，同时这些方法也未能完全反映出真实火灾环境, 因此，人们迫切需求科学合理的燃烧性能评价方法。锥形量热仪是被国际标准ISO 5660-1-1993采纳的新型燃烧性能评价设备，目前在国际上利用锥形量热仪法评价木材燃烧性能已经成为主要手段(李秀瑜，1997；原田寿郎，2000)。欧洲诸国都以锥形量热仪试验结果进行建筑材料的防火性能分级。日本从1993年开始采用锥形量热仪评价方法，目前以其评价结果对材料阻燃性能进行分类。我国在这方面的研究尚未起步，木材燃烧性能分级仍采用GB 8624-88方法。随着国际间科技与学术交流的广泛进行，尤其是中国加入WTO，与国际标准接轨成为提高国际竞争力的重要手段。

本研究通过锥形量热仪对我国几个重要人工林木材树种的燃烧特性进行了评价，旨在为我国阻燃研究与国际接轨，国家标准向国际标准靠拢打下基础。

1 材料与方法 1.1 材料

试验树种为采自江西大岗山林场的杉木(Cunninghamia lanceolata)和马尾松(Pinus massoniana)，以及产地在辽宁的杨木(Populus×canadensis cv.‘I-214’)。取气干材按ISO 5660-1制成幅面100 mm×100 mm，厚度10 mm和20 mm两种规格样品。加热面取横切面(R×T面)和纵切面(L×T或L×R面)两种情况。样品含水率在10%~12%。每种条件试验3次。

1.2 方法

采用C3型锥形量热仪(日本东洋制机)。锥形量热仪是基于有机材料燃烧时每消耗1 kg氧气放出13.1 MJ热量的原理工作的，用来评价木材在恒定热源作用下的燃烧状况。本文选择3种热源辐射强度，即50、40和30 kW·m^-2。为了减少外界的影响，将样品除加热面外的所有面用铝箔纸包覆，放入不锈钢制的样品固定架内，并用隔热棉隔断热量从样品背面向外传递。数据每2 s读取一次，由计算机自动完成。

1.3 评价指标

引燃时间(ignition time)，即样品从加热开始到出现稳定火焰的时间，主要反映了木材被点燃的难易程度; 释热速度(heat release rate)和释热总量(total heat released)，木材受热分解释放热的速率和量；失重率(mass loss rate)，反映木材受热分解质量减少的速率; 减光系数(extinction coefficient)，反映木材受热分解某一时刻释放出的烟气浓度；发烟总量(total smoke production)，反映木材受热分解某一时间内释放出烟气的量。

2 结果与分析 2.1 引燃时间

图 1表示的是杉木木材的引燃时间与热源辐射强度、加热面以及样品厚度的关系。热源辐射强度愈弱，加热面为横切面时着火所需时间越长；而厚度对木材引燃时间影响不大。杨木和马尾松也有相同表现。

木材燃烧过程分为升温、热分解、着火、燃烧和燃烧蔓延等5个阶段。在外部热源的作用下，木材温度逐渐升高，当达到分解温度时产生诸如一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、醛、酮等可燃性气体，达到可燃浓度时就发生着火现象。引燃时间就是木材热分解产生可燃气体且可燃气体浓度达到可燃浓度的时间。引燃时间越长，说明材料越不易点燃。Lawson等(1952)、秋田一雄(1959)、Hollman¹⁾、田中哮儀(1993)、原田寿郎(2000)等研究引燃时间与材料密度、热传导率、比热及辐射强度关系结果表明，引燃时间与材料密度、热传导率、比热成正比，与辐射强度成反比，亦即。式中：t_ig为引燃时间，κ为热传导率，ρ为密度，c为比热，I为辐射强度。因此，木材密度越大，热传导率越高，比热越大，引燃时间越长；而辐射强度越大，引燃时间越短。

1) Hollman J R.Ignition characteristics of plastics and rubber, ph.D.dissertation, Univ.of Oklahoma, Norman, 1971

加热面的影响主要是样品在加热方向热传导率的不同引起的。当在纤维方向加热时，由于纤维方向热传导率约为垂直纤维方向的2~2.5倍，由上式可知，在纤维方向加热，即横切面的引燃时间比在垂直纤维方向的纵切面长，即横切面比纵切面不易被点燃。这与吴玉章等(1999)研究木材结构特性对氧指数影响的结果相一致。

2.2 释热速度和释热总量

木材从受热到着火前是个吸热过程，从着火到燃烧结束是个放热过程。图 2表示的是马尾松木材燃烧时的释热速度，杉木和杨木木材与之相似。由图可知，木材燃烧发热有4个变化过程。一是从着火到表面燃烧的快速放热阶段，即第一释热高峰，这时表面木材受热分解，表面一层可燃气体达到可燃的浓度且在明火作用下发生着火现象，放出大量的热。二是从第一峰结束到第二峰起始的平坦部分，这一阶段释热速度变化不大，主要是热量进一步向木材内部传递以及炭化过程。三是当样品在厚度方向全部炭化之后的燃烧，就出现了第二释热高峰，这是木材燃烧放热的主要阶段。以上3个阶段可称之为有焰燃烧阶段。第四阶段是第二释热高峰结束之后的平坦部分，火焰消失，即木材的无焰燃烧阶段。从木材燃烧火焰的强弱变化也明显区分出4个阶段，第一和第三阶段火焰猛烈，而第二阶段的火势就比较弱，第四阶段无火焰。

样品厚度、加热面以及热源辐射强度对释热速度有很大影响。样品厚度的影响表现在厚度增加使第二峰延迟出现且峰宽度增加、峰极值降低(图 3)。第二峰延迟的原因是，厚度增加延长了传热时间，木材炭化所需要的时间延长；同时，先期炭化部分完全燃烧需要消耗大量的热能，而且能阻碍热和氧气向内部的传导。峰的宽窄变化反映了释热速度的快慢。木材短时间内全部炭化，热量发散速度就快，反之则慢。10 mm厚样品炭化速度要比20 mm的快，所以峰呈尖形。加热面的影响主要表现在第二释热峰极值的变化(图 4)。当加热面为横切面时，第二释热峰极值增大。原田寿郎(2000)研究表明，木材释热速度正比于有效燃烧发热量(即每损失1%的质量所释放出的热量)、木材密度和热传导率，而与比热成反比。对同一树种而言，有效燃烧发热量、密度和比热近似相同，此时热传导率大的横切面释热速度比纵切面大。

热源辐射强度的影响见表 1。由表可知，不论树种、加热面种类、样品厚度如何，随着热源辐射强度的增加，第一释热峰和第二释热峰极值，各时间段内释热速度平均值以及180 s内总释热均呈递增趋势。说明热源辐射强度增强加速了木材释热进程。辐射强度的强弱主要表现在加热温度的差异。辐射强度达到50、40、30 kW·m^-2时，加热温度分别为700、630、540℃左右。Schaffer(1966)、Tran等(1992)研究表明，辐射强度越强炭化速度越快。原田寿郎(2000)研究表明，炭化速度与质量损失速度高度正相关，而释热速度又与质量损失速度高度正相关。因此，炭化速度越快释热速度也就越高。

2.3 失重率

由图 5可知，木材失重与发热过程有着相似的变化曲线。这是因为木材热分解可产生释热和大分子降解为小分子，大分子降解产生放热现象的同时，产生挥发性的小分子，造成质量的损失，这进一步揭示出质量损失与放热的密切相关性。加热面对失重的影响主要表现在第二失重峰极值的变化，当加热面为横切面时第二失重峰极值增大。样品厚度的影响主要表现在厚度增加第二失重峰出现的时间延迟。

由表 1可知，随着热源辐射强度的增加，木材平均失重率呈增加的趋势。

2.4 减光系数和发烟总量

木材减光系数反映木材受热分解某一时刻释放出烟气的浓度。建筑火灾产生的烟是造成人员伤亡的主要原因，因此，评价材料的发烟性具有重要意义。图 6给出了杉木木材(20 mm厚)烟气浓度和发烟总量的变化情况，杨木和马尾松木材与之相似。从表征烟气浓度的减光系数分布曲线来看，木材在整个受热过程中有两个强的发烟峰，一个是木材从开始受热到着火前，另一个是炭化过程结束后。炭化过程和无焰燃烧阶段烟气浓度较低，即减光系数曲线波谷和末尾部分，这与原田寿郎(2000)、李坚等(2002)研究结果相似。由发烟总量曲线可知，曲线的变化与释热速度曲线一样也由4部分构成。第一部分为起始的倾斜部分，此部分对应木材点燃前的发烟量，从受热开始到木材点燃前，木材发烟量呈直线上升。第二部分为曲线平缓部分，此部分与释热速度曲线的平坦部分，即炭化过程相对应。此过程发烟总量变化缓慢，亦即说明炭化过程中发烟量较低。第三部分为平缓曲线结束后的倾斜部分，此部分对应炭化过程结束后的强发烟过程，发烟量也呈直线上升。第四部分为曲线末尾的平缓部分，它与木材无焰燃烧过程相对应，与第二部分相似，此过程中发烟也较少。比较发烟总量曲线的各部分，点燃前和炭化过程结束后的发烟量最大，炭化过程以及无焰燃烧阶段发烟量最低。随着热源辐射强度的增加，烟气浓度和发烟总量均呈增加趋势。这是因为热源辐射强度增加，木材炭化速度、质量损失速度相应加快，导致可挥发性物质及炭颗粒浓度增加，烟气也就增加。

3 结论

木材从受热开始到燃烧结束有两个释热峰，木材失重过程与释热过程有着相似的变化曲线；木材从开始受热到着火前和炭化过程结束以后发烟最大，炭化过程和无焰燃烧阶段发烟最低。

对同一树种而言，热源辐射强度、样品加热面和厚度对燃烧特性有不同程度影响。热源辐射强度愈强，着火所需时间也越短，木材释热和失重速度越快，烟气浓度和发烟总量增加。加热面为横切面的样品着火所需时间比纵切面的长，而且第二释热峰极值增大，平均失重率呈增大趋势。10 mm和20 mm厚样品在木材引燃时间、燃烧180 s的总释热量方面差异不大，但20 mm厚样品的第二释热峰出现延迟且峰值有所下降。当加热面为横切面时，20 mm厚样品的平均失重率有下降趋势。